DE2617781C2 - - Google Patents
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- DE2617781C2 DE2617781C2 DE2617781A DE2617781A DE2617781C2 DE 2617781 C2 DE2617781 C2 DE 2617781C2 DE 2617781 A DE2617781 A DE 2617781A DE 2617781 A DE2617781 A DE 2617781A DE 2617781 C2 DE2617781 C2 DE 2617781C2
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- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02K—JET-PROPULSION PLANTS
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- F02K1/002—Plants characterised by the form or arrangement of the jet pipe or nozzle; Jet pipes or nozzles peculiar thereto with means to modify the direction of thrust vector
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- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Control Of Turbines (AREA)
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Verstelldüse für ein Gas
turbinentriebwerk gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Die hohe Geschwindigkeit, die den Austrittsgasen einer Gastur
bine durch die Schubdüse gegeben wird, sorgt für den Antriebs
schub. Dieser Schub ist im wesentlichen parallel zu und rich
tungsmäßig entgegengesetzt zu den aus der Düse austretenden Ab
gasen. Wenn also die Richtung der Austrittsgase verändert wird,
ändert sich entsprechend die Richtung des Antriebsschubes. Üb
licherweise sind Gasturbinentriebwerke von Flugzeugen mit in
axialer Richtung feststehenden Düsen versehen, und die Manövrie
rung des Flugzeuges wird allein durch Steuerflächen des Flug
werkes bewerkstelligt.
Fortgeschrittenere Flugzeuge ermöglichen oder erfordern sogar
die selektive Umlenkung oder Vektorierung des Schubes des Gas
turbinentriebwerkes, um die Leistungsfähigkeit des Flugzeuges
zu verbessern und um das Flugzeug mit Betriebscharakteristi
ken zu versehen, die bisher für unnütz gehalten wurden. Wenn
beispielsweise der Schub eines in üblicher Weise installier
ten Gasturbinentriebwerkes nach unten, anstatt nach hinten,
in eine Richtung im wesentlichen senkrecht zur Längsachse des
Triebwerkes gerichtet würde, würde der dabei entstehende Hub
schub für ein direktes Abheben des Flugzeuges und deshalb für
ein vertikales Starten und Landen sorgen. In ähnlicher Weise
kann die Schubumlenkung (Vektorierung) während des Fluges die
Manövrierbarkeit des Flugzeuges stark verbessern, da die
Schubkraft die Manövrierkräfte der Steuerflächen des Flugzeu
ges verstärken kann, wie beispielsweise der Höhenruder, Quer
ruder und Leitwerke. Um eine derartige Schubschwenkung zu er
reichen, ist eine Vorrichtung erforderlich, die die Richtung
der Schubdüsengase des Gasturbinentriebwerkes auf wirksame
und praktische Weise zu ändern vermag.
Das Prinzip der Schubschwenkung selbst ist nicht neu, da
Schubdüsen mit dieser Fähigkeit seit Jahren geplant und eine
breite Vielfalt von Düsen mit schwenkbarem Schub entwickelt
worden sind. Diese bekannten Düsen enthalten üblicherweise
jedoch eine oder mehrere der folgenden Einschränkungen:
- diskontinuierliche Schwenkung zwischen dem Flug- und Hubbetrieb;
- Flugwerktüren sind erforderlich, um Schubumlenker bei wenigstens einer Betriebsart aufzunehmen;
- der verfügbare Hubschub ist klein im Vergleich zu dem erforderlichen zusätzlichen Gewicht zu dem Grundtrieb werk;
- übermäßige Komplexität teilweise aufgrund einer Viel zahl von Betätigungsgliedern;
- übermäßige abwärts gerichtete Verlängerungen im Hub betrieb, die zu Freiraumproblemen an der Erde führen; und
- langsame Änderung des Vektorwinkels und der Düsenfläche.
Das sich dem Gasturbinenkonstrukteur stellende Problem be
steht deshalb darin, eine im Flug manövrierbare Schubdüse
zu schaffen, die alle vorstehenden Einschränkungen vermei
det.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Verstelldüse mit
einem einfach aufgebauten Betätigungssystem für die Schub
schwenkung zu schaffen, wobei die Verstelldüse für eine
kontinuierliche Schubschwenkung zwischen vertikalem Hub
schub, Manövrierungsfähigkeit während des Fluges und übli
chen Flugschub sorgen soll.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnen
den Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unter
ansprüchen gekennzeichnet.
Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbe
sondere darin, daß erstens die konvergent-divergente Ein
richtung und die an der Düsenunterseite befindliche Bauch
klappe gleichzeitig gesteuert werden, um bei eingefahrenem
Strömungsumlenker bei einer bestimmten Halsquerschnittsfläche
eine effiziente externe Expansion der Schubströmung herbeizu
führen, und zweitens mit dem Ausfahren des Strömungsumlenkers
die Stellung der Bauchklappe gesteuert wird, um den Hals zu
drehen. Diese wechselseitig abhängigen Bewegungsvorgänge wer
den durch eine einfache Nockenanordnung sicher gesteuert.
Die Erfindung wird nun anhand der Beschreibung und Zeichnung
von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Fig. 1 zeigt ein am Flügel montiertes Gasturbinentriebwerk mit
dem Betätigungssystem gemäß der Erfindung.
Fig. 2 ist eine isometrische Ansicht der Schubvorrichtung gemäß
der vorliegenden Erfindung im Reiseflugbetrieb.
Fig. 3 ist eine isometrische Ansicht ähnlich wie Fig. 2 von
einer am Flügel montierten Schubvorrichtung gemäß der vor
liegenden Erfindung in einem vertikalen Startbetrieb.
Fig. 4 ist eine schematische Darstellung der Betätigungsvorrich
tung gemäß der Erfindung in einem Reiseflugbetrieb.
Fig. 5 ist eine schematische Darstellung ähnlich wie Fig. 4 der
Betätigungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
in einem Nachbrenner- oder Verstärkungsbetrieb.
Fig. 6 ist eine schematische Darstellung ähnlich wie Fig. 4 der
Betätigungsvorrichtung gemäß der Erfindung in einem ver
tikalen Startbetrieb.
Fig. 7 ist eine schematische Darstellung ähnlich wie Fig. 4 der
Betätigungsvorrichtung gemäß der Erfindung in einem Zwi
schenbetrieb oder einem kurzen Start- und Landebetrieb.
In Fig. 1 ist ein Gasturbinentriebwerk gezeigt, das insgesamt
mit 10 bezeichnet ist und das Betätigungssystem gemäß der Erfin
dung enthalten kann. Heiße Verbrennungsgase werden durch eine
nicht-gezeigte Turbine in bekannter Weise expandiert und treten
von links in die Schubvorrichtung 12 ein, wie es durch den Vektor
14 gezeigt ist. Der hier verwendete Begriff "Schubvorrichtung"
soll eine Fanströmungs-Schubdüse oder jede andere Schubdüse eines
Gasturbinentriebwerkes umfassen, ob dieser nun ein Brenner in
Reihenströmung vorgeschaltet ist oder nicht. Das in Fig. 1 ge
zeigte Ausführungsbeispiel eines Gasturbinentriebwerkes ist durch
einen Nachbrenner 16 bekannter Bauart verstärkt. Nachdem sie durch
die Schubvorrichtung 12 hindurchgeströmt ist, wird die Strömung
von der Vorrichtung umgelenkt bzw. geschwenkt.
Wie aus den Fig. 1, 2 und 3 ersichtlich ist, ist das gezeigte
Schubsystem von dem externen Expansionstyp mit interner Düsen
flächenänderung. Eine derartige Konfiguration kann beispielsweise
passend in einen Flugzeugflügel 18 eingebettet werden, um ein
aerodynamisch stromlinienförmiges Paket zu bilden und gleichzei
tig für eine Integration zwischen der eine variable Geometrie auf
weisenden Schubvorrichtung und dem Flügelklappensystem des Flug
zeuges zu sorgen, um auf diese Weise jede Redundanz zu vermeiden.
Die Schubvorrichtung ist in der Weise gezeigt, daß sie zwei im
wesentlichen gegenüberliegende Wände 22, 24 aufweist, deren innere
Oberflächen 26 bzw. 28 teilweise einen Strömungspfad 30 für die
Abgase bilden. Die Wand 22 wird ferner durch variable Düsenflä
chen mit zusammenarbeitenden Düsenklappen 32, 34 gebildet, die
jeweils an dem einen Ende 36 bzw. 38 an der Wand 22 angelenkt
sind. Die anderen Enden sind durch eine Anordnung (s. Fig. 4)
aus einer Rolle 40 und einer damit zusammenarbeitenden Kurven
bahn 42 verbunden. Die Fläche der Schubströmungsbahn 30 wird so
mit zum Teil durch das Anordnen der Düsenklappen gesteuert.
Die stromabwärts von den Düsenklappen angeordnet variable Flügel
klappe 44 sorgt für ein Schwenkmanöver im Flug und weiterhin für
eine Expansionssteuerung der Schubströmung. Wie dargestellt, bil
det die Klappe 44 einen Teil der abströmenden Kante des Flügels 18,
der ein Teil der Flugzeugstruktur ist. In anderen Ausführungsbei
spielen kann die Klappe jedoch auch am Triebwerk oder am Rumpf
montiert sein. Die Klappe 44 kann durch bekannte Betätigungsmit
tel 48 betätigt werden. Eine Bauchklappe 46 mit variabler Fläche,
die das stromabwärtige Ende der Wand 24 bildet, arbeitet mit den
Düsenklappen 32 und 34 zusammen, um die Fläche des Schubströmungs
pfades 30 zu steuern, und sie sorgt für eine Expanionssteuerung
der Schubströmung. Weiterhin bildet, wie im folgenden näher er
läutert wird, die Bauchklappe 46 eine Steuerung für die Düsenhals
fläche beim vertikalen Starten und Landen und bei kurzen Start-
und Landewegen.
Beim Betrieb für kurze Start- und Landewege (V/STOL) wird ein
sich drehender haubenartiger Deflektor 52 verwendet, um die Schub
strömung nach unten umzulenken. Der Deflektor 52 hat ein im we
sentlichen U-förmiges Querschnittsprofil, wie es aus Fig. 3 deut
lich wird, und besteht aus einem bogenförmigen Deflektorabschnitt
54, der von zwei Armen 56, 58 flankiert ist. Während
des Reisefluges ( Fig. 1 und 2) ist der Deflektor 52 innerhalb
der Seitenwand 22 verstaut, so daß er die aerodynamisch glatten
Konturen des Strömungspfades 30 nicht beeinträchtigt. Somit beein
flußt er nicht den hohen Wirkungsgrad der Reiseflugdüse und ver
einfacht die Düsenkühlung während des Verstärkungsbetriebes (Nach
verbrennung). Im V/STOL-Betrieb wird der Deflektor 52 um seine
Schwenkverbindungen (von denen nur eine bei 60 gezeigt ist) in
den Strömungspfad gedreht, um dadurch die Schubströmung nach unten
zu richten.
In den Fig. 4 bis 7 ist eine verbesserte Betätigungsvorrichtung
62 schematisch gezeigt, die den Betrieb der konvergenten und diver
genten Klappen 32 bzw. 34, der Bauchklappe 46 und des Deflektors
52 steuert.
In Fig. 4 ist zunächst die Düse und ein Ausführungsbeispiel der
Betätigungsvorrichtung gemäß der Erfindung für den Reiseflug ohne
Schubschwenkung gezeigt. Es wird deutlich, daß die Düsenflächen
steuerung (Steuerung der internen Fläche der Strömungsbahn 30)
durch Verändern der konvergenten und divergenten Klappen 32 bzw. 34
erfolgt, die, worauf bereits hingewiesen wurde, mittels einer An
ordnung aus einer Rolle 40 und einer Nockenbahn 42 verbunden sind.
Der Düsenhals, der schematisch bei 63 a gezeigt ist, wird somit im
Reiseflug teilweise durch den bogenförmigen Abschnitt 64 der di
vergenten Klappe 34 begrenzt, da dies der Bereich mit minimaler
Querschnittsfläche ist. Das Vorderende der konvergenten Klappe 32
ist an einer Antriebswelle 66 befestigt, die mittels hydraulischer
Betätigungsglieder 68 (das System ist auf jeder Seite der Schub
düse dupliziert) positioniert wird und die Kurbelarme 70 antreibt,
die an jedem Ende der Antriebswelle 66 fest angebracht und durch
Stifte mit Kolbenstangen 72 bei 74 verbunden sind. Zwar ist ein
hydraulisches Betätigungsglied 68 gezeigt, es können selbstver
ständlich aber auch andere Typen von Betätigungsgliedern verwen
det werden.
Die Bauchklappe 46 muß mit dem Düsendruckverhältnis während des
Reisefluges verändert werden, um für eine effiziente externe Ex
pansion der Düsenströmung zu sorgen. Diese Änderung wird gleich
zeitig mit der Änderung der Klappen 32 und 34 mittels eines
Nockenantriebsmechanismus durchgeführt. Der Kurvenkörper 76 ist
an dem Kurbelarm 70 für die Düsenfläche angeformt oder daran be
festigt und weist eine Oberfläche (in dem vorliegenden Ausführungs
beispiel bogenförmig) 78 auf, die die geometrischen Ortspunkte bil
det, die zum geplanten Einstellen der Bauchklappe 46 in einer vor
bestimmten Relation erforderlich sind. Wenn der Kurbelarm 70 und
der Kurvenkörper 76 durch das Betätigungsglied 68 gedreht werden,
arbeiten der Nockenfolger 80 und die Schubstange 82 zusammen, um
die Bauchklappe 46 durch den Hebel 86 zu positionieren, der eine
Verlängerung der Bauchklappe 46 bildet und der bei 88 mit der
Schubstange 82 verbunden ist. Der Nockenfolger 80 und die Schub
stange 82 sind bei 83 bzw. 84 mit einem Kniehebel 90 verbunden
(die Schubstange 82, der Kniehebel 90 und der Hebel 86 bilden
eine Gestängeanordnung.) Dies gestattet, daß das System im wesent
lichen um eine Zapfenverbindung 92 schwenkt, die an einem nicht
bewegbaren Abschnitt der Düse 12 befestigt ist. Somit wird deut
lich, daß der vorstehend beschriebene Mechanismus, der gleichzei
tig die interne Fläche der Strömungsbahn 30 und die Position der
Bauchklappe 46 steuert, eine selbständige und integrale Steuer
einrichtung bildet, die eine wesentliche verminderte Anzahl von
Betätigungsgliedern im Vergleich zu bekannten Düsen mit Schubum
kehr aufweist.
Fig. 5 zeigt die Düse und die Betätigungsvorrichtung gemäß der
vorliegenden Erfindung in einer anderen Betriebsart als in Fig. 4.
Fig. 5 ist typisch für die Konfiguration, die für einen Flug mit
Nachverbrennung (oder Verstärkung) stromaufwärts von der Düse er
forderlich ist, wie es schematisch bei 16 in Fig. 1 gezeigt ist.
Bei einem derartigen Betrieb müssen die Düsenhalsfläche (angege
ben bei 63 b) und die externe Schubexpansionsgeschwindigkeit ver
größert werden. Durch Bedienung der Betätigungsvorrichtung 68,
um die Kolbenstange 72 zu verlängern, werden die konvergierende
Klappe 32 und die damit zusammenarbeitende divergierende Klappe
34 nach oben gedreht durch Bewegen des Antriebskurbelarmes 70 und
der Antriebswelle 66. Gleichzeitig damit wird der Kurvenkörper 76
gedreht, damit sich der Nockenfolger 80 und die Schubstange 82
nach oben bewegen können. Dies bewirkt eine Drehung der Bauch
klappe 46 um ihre Schwenkverbindung 94 mit der Wand 24 in Uhr
zeigerrichtung, wodurch die Abgasexpansion vergrößert wird. Ein
Zurückziehen der Kolbenstange 72 bewirkt, daß die Betriebsfolge
sich umkehrt. Somit wird deutlich, daß für jede erforderliche
Düsenfläche die richtige Bauchklappenposition bestimmt und auto
matisch gesteuert wird.
Es wird nun auf die Fig. 6 und 7 eingegangen, in denen schema
tisch zwei Betriebszustände mit Schubschwenkung gezeigt sind.
Fig. 6 zeigt die Düsen beim vertikalen Starten, während Fig. 7
einen Betriebszustand für kurze Start- und Landewege (STOL)
zeigt. In beiden Fällen ist der Deflektor 52 betätigt worden, in
Fig. 7 in einem geringeren Ausmaß. Somit würde in Fig. 6 der
Schubvektor im wesentlichen senkrecht nach oben für ein reines
Abheben verlaufen, während in Fig. 7 der Schubvektor eine gewisse
Vorwärtskomponente haben würde.
Es wird für wünschenswert gehalten, die Position der Bauchklappe
46 mit der Deflektordrehung zu verändern, um eine konstante Hals
fläche beizubehalten, wenn der Deflektor 52 über den Schubschwen
kungsbereich gedreht wird. Ein zweiter Nockenmechanismus sorgt
für diese Bewegung. Eine Halsflächennocke 96 ist am Seitenteil
56 des Deflektors 52 befestigt. Indem wiederum nur die eine Seite
der Düse betrachtet wird, muß die Nocke 96 derart geformt bzw.
konturiert sein, daß sie die geometrischen Ortspunkte liefert,
die zum Positionieren der Bauchklappe 46 bei Schubschwenkung
durch eine noch zu beschreibende Gestängeanordnung notwendig
sind.
Die Nocke 96 greift an dem Nockenfolger 98 (der seinerseits an
dem Kniehebel 100 befestigt ist) an, wenn der Deflektor unter
der Wirkung des hydraulischen Betätigungsgliedes 102 und der Kol
benstange 104 nach unten gedreht wird. Die Kolbenstange 104 ist
an dem Deflektor 52 an dem Vorsprung 106 auf dem Seitenteil 56
verbunden. Wenn der Nockenfolger 98 der Nocke 96 folgt, muß sich
der Kniehebel 100 um seine Schwenkverbindung 108 mit einem sta
tionären Teil der Düse 12 drehen. An dem Kniehebel 100 ist bei
110 ein Gelenkhebel 112 befestigt, der seinerseits mit dem Hebel
86 bei 114 und dem Kniehebel 100 verbunden ist, wobei der Gelenk
hebel 112 und der Hebel 86 eine andere Gestängeanordnung bilden.
Dadurch wird die Bauchklappe 46 positioniert, wie es zur Steue
rung der Düsenhalsfläche 63 c (die zwischen der Bauchklappe 46 und
dem Deflektor 52 gebildet ist) und zur Maximierung des Schubes
über dem Schubschwenkungsbereich erforderlich ist.
Wie in Fig. 4 für den Reisebetrieb gezeigt ist, ist die Hals
flächennocke 96 von dem Nockenfolger 98 getrennt, um nicht den
Betrieb der Bauchklappe 46 durch das Verstellen des Betätigungs
gliedes 68 zu beeinträchtigen. In ähnlicher Weise sind, wie es in
Fig. 6 gezeigt ist, während der Verstellung des Deflektors 52
zum Hubbetrieb die konvergenten und divergenten Klappen 32 bzw.
34 bis zu ihrer maximalen Position geöffnet. Bei einer Drehung
des Deflektors 52 bleibt die Nocke 76 fest im Raum stehen, so
daß die Hauptsteuerung der Bauchklappe 46 durch die Nocke 96 er
folgt. In der Tat ist im STOL-Betrieb gemäß Fig. 7, wo der De
flektor 52 nur teilweise verstellt ist, die Nocke 76 von dem
Nockenfolger 80 getrennt. Der STOL-Betrieb ist eine Zwischenbe
triebsart zwischen dem Hubbetrieb gemäß Fig. 6 und dem Flugbe
trieb gemäß Fig. 4 und zeigt den Hals 63 d in einer teilweise
gedrehten Position. Es sei darauf hingewiesen, daß in Fig. 6
die Kolbenstange 72 vollständig ausgefahren ist und für eine ma
ximale Fläche innerhalb der Düse sorgt. Der Hals wird mit der
Deflektorrotation gedreht, so daß die Gasströmung stromaufwärts
von dem Hals bei einer Geschwindigkeit gedreht wird, die wesent
lich kleiner als die Schallgeschwindigkeit ist, wodurch ein ernst
hafter Druckverlust bei der Drehung vermieden wird. Das Betäti
gungssystem gemäß der Erfindung sorgt für die erforderlichen
glatten geometrischen Übergänge bei einer kleineren Anzahl von
Betätigungsgliedern. Somit schafft die Betätigungsvorrichtung
gemäß der Erfindung eine Steuerung (die im wesentlichen aus dem
Betätigungsglied 102, der Nocke 96, dem Nockenfolger 98, dem
Kniehebel 100, dem Gestängehebel 112 und dem Hebel 86 besteht),
die ein Drehen des Deflektors 52 und ein gleichzeitiges Positio
nieren der Bauchklappe 46 gestattet, um so einen Hals zwischen
der Bauchklappe 46 und dem Deflektor 52 zu bilden und weiterhin
ein Drehen des Halses mit der Deflektorrotation zu gestatten.
Eine derartige Betätigungseinrichtung sorgt auch (über eine wei
tere Steuereinrichtung, die im wesentlichen aus dem Betätigungs
glied 68, dem Antriebshebel 70, der Nocke 76, dem Kniehebel 90,
dem Nockenfolger 80, der Schubstange 82 und dem Hebel 86 besteht)
für eine Steuerung der Düsenfläche und der Schubströmungsexpan
sion beim Reiseflugbetrieb (verstärkt oder unverstärkt).
Claims (4)
1. Verstelldüse für ein Gasturbinentriebwerk, mit einer einen
Hals aufweisenden Schubströmungsbahn, einer einstellbaren
konvergent-divergenten Einrichtung, die teilweise eine
erste Begrenzungswand der Strömungsbahn bildet, einem Strö
mungsumlenker, der zwischen einer eingefahrenen Position
außerhalb der Schubströmungsbahn und einer ausgefahrenen
Position verstellbar ist, in der er eine weitere Begrenzung
der Schubströmungsbahn darstellt, und mit einer Stellklappe
an der Schubdüsenunterseite, die teilweise eine zweite Be
grenzungswand der Strömungsbahn bildet,
gekennzeichnet durch eine erste
Stelleinrichtung (68) für die konvergent-divergente Ein
richtung (32, 34) mit einer ersten Nocke (76), die mit
einem mit der Stellklappe (46) verbundenen Nockenfolger
(80) in Eingriff bringbar ist und die Stellklappe (46) für
eine effektive externe Expansion der Schubströmung in Ver
bindung mit der konvergent-divergenten Einrichtung (32, 34)
einstellt, und eine zweite Stelleinrichtung (102) zum Ein
stellen des Strömungsumlenkers (52) mit einer zweiten, mit
dem Strömungsumlenker (52) verbundenen Nocke (96) und einem
zweiten, mit der Stellklappe (46) verbundenen Nockenfolger
(98), wobei die zweite Nocke (96) zunächst mit dem zweiten
Nockenfolger (98) außer Eingriff ist, wenn der Strömungs
umlenker (52) eingefahren ist, und dann mit dem zweiten
Nockenfolger (98) in Eingriff kommt und die Steuerung der
Stellklappe (46) durch den ersten Nockenfolger (80) über
lagert, wenn der Strömungsumlenker (52) ausgefahren ist.
2. Verstelldüse nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Hals (63) zwischen einer ersten Stellung, die teilweise
durch die konvergent-divergente Einrichtung (32, 34)
begrenzt ist, und einer zweiten Stellung einstellbar ist,
die teilweise durch den Strömungsumlenker (52) und die
Stellklappe (46) begrenzt ist.
3. Verstelldüse nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
die konvergent-divergente Einrichtung (32, 34) zwei zusam
menarbeitende, verstellbare Klappe aufweist.
4. Verstelldüse nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß
die erste Nocke (76) mit der konvergenten Klappe (32) ver
bunden ist.
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